Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №1

Фотоэлектронные (оптоэлектронные) устройства (ФЭУ) широко применяются в устройствах автоматики, телемеханики, оптической связи, фотоизмерительной и другой технике. Исходя из назначения, они должны соответствовать определенным требованиям, например таким: высокая чувствительность, достаточное быстродействие, способность работы в нужной части оптического диапазона и требуемом диапазоне температуры, помехоустойчивость, простота и экономичность устройства и т. д. Выполнение заданных требований достигается соответствующим выбором светочувствительных элементов и фильтров для них, схемы усилительных каскадов исполнительных устройств и т. д.

В качестве светочувствительного элемента в ФЭУ могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы, фотоумножители, оптроны с открытым оптическим каналом и т. д.

В зависимости от типа используемого светочувствительного элемента в ФЭУ есть свои особенности, которые должны учитываться и для более полного использования возможностей светочувствительного элемента и для более рационального построения устройства.

Обычно в своих конструкциях радиолюбители используют фотодиоды и фоторезисторы.

Фотодиод — полупроводниковый прибор, являющийся приемником лучистой энергии, которая, воздействуя на фотодиод, переводит его из закрытого состояния в открытое. В зависимости от типа фотодиода максимум спектральной чувствительности может находиться в видимой области или в области инфракрасного излучения. Фотодиоды могут работать и в вентильном режиме, преобразуя световую энергию в ЭДС значением 0.5…0.7 В.

Фоторезисторы представляют собой активные полупроводниковые резисторы, чувствительные к световому излучению в широком интервале длин волн, включая ультрафиолетовый и инфракрасный спектры. Для фоторезисторов характерно то, что они обладают высоким сопротивлением в темноте, которое при освещении резко уменьшается. Существует большое разнообразие фЭУ, отличительную особенность которых определяет применяемый светочувствительный элемент.

В сравнении по параметрам с фотодиодами фоторезисторы отличаются высоким отношением светового тока к темновому, однако, значительно уступают фотодиодам в быстродействии. Рабочее напряжение фотодиодов составляет 10…20 В, а фоторезисторов — 1,3…350 В.

На практике ФЭУ выполняются, как правило, в следующих основных вариантах:

— светочувствительный элемент без усилительных элементов в цепи управляющего устройства;

— с использованием усилителя постоянного тока (УПТ);

— с использованием порогового элемента;

— светочувствительный элемент в цепи генератора импульсов;

— с модуляцией управляющего луча.

ФЭУ с фоторезистором или фотодиодом в цепи управляющего устройства без использования усилительных элементов отличаются простотой, но имеют низкую чувствительность и поэтому на практике применяются редко, например в устройствах «автостопа», где источник света находится в непосредственной близости от фоторезистора иди в автоматах включения и отключения ночного освещения, если в качестве исполнительного устройства применить тринисторы или электромагнитные реле с малым током срабатывания, а также для измерения интенсивности светового излучения при включении микроамперметра последовательно с фоторезистором. Световой ток фотодиода намного меньше светового тока фоторезистора и составляет десятки микроампер, поэтому нецелесообразно его ставить в цепи последовательно с исполнительными устройствами без усилительных элементов.

В ФЭУ с УПТ желательно использовать фоторезисторы, так как при увеличении температуры окружающей среды на 30…40 °C темновой ток фотодиодов увеличивается в несколько раз, что вызывает нестабильность работы ФЭУ.

Из применяемых в настоящее время ФЭУ с УПТ можно выделить три основные группы:

1. Фоторезистор включен между базой транзистора первого каскада УПТ и минусом (для транзистора р-n-р структуры) или плюсом (для транзистора n-р-n структуры) источника питания.

2. Фоторезистор включен между базой и эмиттером входного транзистора УПТ.

3. Фоторезистор включен в цепь УПТ, выполненного на интегральных микросхемах.

Однокаскадный УПТ на транзисторе, а также УПТ на составном транзисторе, являющийся разновидностью однокаскадного УПТ с более высоким коэффициентом усиления, применяют в ФЭУ первой группы, например в автоматах управления освещением, в измерительных приборах. Для ФЭУ тревожной сигнализации, в устройствах для подсчета и сортировки штучных изделий и т. п. обычно применяются двухкаскадные УПТ. Повышения чувствительности ФЭУ первой группы можно добиться не только подбором по соответствующим параметрам транзисторов (указано ниже), но и путем увеличения напряжения источника питания. Лучше для питания ФЭУ использовать два источника: один с напряжением 5…20 В для питания УПТ, а другой, с более высоким напряжением, для питания фоторезистора. Подбирая напряжение второго источника в пределах 20…250 В, добиваются наибольшей чувствительности ФЭУ. Практические конструкции ФЭУ с УПТ первой группы приведены в «Радио», 1975, № 3, с. 37 и № 10, с. 64.